数据中心制冷系统冷源选择及能效分析

康健

摘要：本文针对我国不同气候区的气候特点，以某中等规模数据中心为例，对风冷式直接蒸发系统和水冷式冷水机组系统两种常用的数据中心制冷系统进行了能效分析，量化给出了季节性和区域性气候差异对数据中心制冷系统的能效影响，分析了风冷式和水冷式系统在不同气候区的应用优势。对一种将热管循环与蒸气压缩制冷循环相结合的复合型自然冷源系统进行了运行测试，计算给出了不同气候区自然冷源的可用时间和节能潜力，分析结果可用于数据中心选址以及其制冷系统的优化设计。

关键词：数据中心；制冷系统；自然冷源；气候类型；能效分析

1、前言

本文针对不同类型数据中心制冷系统的冷源特点，建立了数据中心制冷系统的能效模型，结合我国不同气候区的气象数据，计算给出了不同类型制冷系统在各气候区域的能效水平及波动范围，分析给出了不同类型数据中心制冷系统随季节和气候特点的变化规律，并归纳给出了不同类型数据中心制冷系统的适用地域范围，计算结果可为数据中心的因地制宜规划设计提供参考。

2、建筑气候区划图及区划标准

近年来，我国大数据产业蓬勃发展，数据中心等基础服务设施的需求量急剧增大。与传统建筑空间相比，数据中心散热密度大，单位面积散热量可达传统办公区域的40倍以上，IT设备的散热特点导致数据中心热点分布不均匀，同时，设备的安全性需求提高了对内部空间温湿度和洁净度的要求。数据中心热环境特点需要数据中心设计成全封闭的结构，依靠制冷系统的全年运行来达到控温控湿的目的，这使得制冷系统能耗成为数据中心能耗比例不合理的一个重要原因。 目前我国数据中心常用的制冷系统包括风冷式直接蒸发系统和水冷式冷水机组系统两种，不同类型制冷系统能耗随所处气候类型差别较大，在评价数据中心能效水平时，需综合考虑数据中心所处地区气候特点等因素，使能效指标具有更加实际的指导意义。我国数据中心标准组在2015年公布了国家标准《数据中心资源利用与测量方法》征求意见版，该标准草稿给出了考虑气候类型和制冷形式等因素的数据中心能效评价指标，意在引导数据中心因地制宜选择合适的制冷方案，充分发挥相应地区的气候优势。

我国地域辽阔，不同地区的全年气温、湿度差别很大，按照GB 50178-1993《建筑气候区划标准》l31我国可分为严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖和温和五个气候区。

3、某数据中心案例能耗分析

本文以某中等规模数据中心为例进行能耗分析，该数据中心位于我国夏热冬冷地区，IT设备发热密度约为1.4 kW/m2，测试分为两日进行，分别对夏季典型日机房模块、猎头柜（UPS电池配电柜）、水冷机组、水泵、冷却塔和机房精密空调等的用电状况及输配系统相关温度进行了测试叫，得到了该数据中心内部模块和制冷系统的单日用能特点、运行效率和冷却效果。

为分析数据中心制冷系统的能效，需计算给出数据中心内部环境热负荷，包括IT设备、UPS、配电系统和照明系统等，根据2003年可计算得出该数据中心测试模块总发热量与IT设备耗电量之比约为0.21，在后续的制冷系统模型计算中也将采用该数值进行整体能效计算。

4、数据中心制冷系统能耗模型

常用的传统数据中心制冷系统主要包括风冷式直接蒸发冷却方案和水冷式冷水机组方案两种，两种方案采用不同的冷源形式，在实际运行效果以及电力资源和水资源消耗上各有优劣。双冷源复合式制冷方案充分引入自然冷源，可在保证数据中心内部各项热环境指标的同时有效降低数据中心能耗。

水冷式冷水机组采用冷冻水机组或带自然冷源的冷水机组提供的冷冻水作为冷源，实现热量由室内到室外的搬运。该系统一般由机房空调末端、冷水机组、冷却塔、水泵、管路及其他附件组成，可实现冷量的远距离输送，并有效节省安装空间。国家标准GB/T 19413-2010给出了水冷式机房空调的试验测试工况，如表3所示，水冷式系统五个工况包括了四个压缩机驱动的冷水机组运行工况和一个利用冷却塔自然冷源的工况。

4.3自然冷源的复合式制冷方案

引入白然冷源的复合式制冷系统将重力驱动热管循环与蒸气压缩制冷循环相结合，在夏季温度较高时开启蒸气压缩制冷模式为数据中心提供冷量，在冬季室外温度较低时开启重力驱动热管模式，充分利用室外自然冷源对数据中心进行散热，过渡季节则由蒸气压缩制冷循环和重力驱动热管循环同时运行提供数据中心所需冷量。本研究对如图2所示的复合式制冷系统进行了实际运行测试。

5、结果与分析

5.1季节性与地域性气候差異分析

结合上述能效测试结果与我国不同地区逐时气象数据，可对不同气候区数据中心制冷系统能耗指标CLF进行模拟计算，我国大部分地区气候分明，在除温和地区之外的其他气候区，逐时气象数据存在明显的季节性波动，表现为数据中心制冷系统能耗在夏季存在明显的峰值，在冬季呈现明显的谷值，且波动情况由北到南逐渐变缓。数据中心制冷系统能耗总体趋势表现为由北向南随纬度的降低逐渐升高，体现在为以哈尔滨为代表的严寒地区制冷系统能耗最低，其次为以北京为代表的寒冷地区，以广州为代表的夏热冬冷地区制冷系统能耗最高。在进行数据中心的具体规划选址时，应当在满足数据中心功能和市场要求的前提下，优先考虑在哈尔滨等严寒地区建立大型数据中心，以便充分发挥区域性气候优势，减少制冷系统的整体负荷。

5.2风冷、水冷方案应用优势对比

风冷式直接蒸发方案和水冷式冷水机组方案是目前我国数据中心常用的两种制冷方案，两种系统分别以室外空气和冷却塔制取的冷水作为冷源，实现热量由数据中心内部向室外的搬运。给出的制冷系统能效季节性波动曲线可见，相较风冷式直接蒸发方案，水冷式冷水机组方案可以更为便捷地利用自然冷源，在冬季和部分过渡季节具有较大的应用优势，其运行效果整体优于风冷式系统，同时，水冷式冷水机组方案的应用优势随数据中心所处地理位置有所差别。

由计算结果可见，相较风冷式系统，水冷式系统的能效优势随数据中心所处纬度的降低逐渐减小，在严寒地区和寒冷地区采用水冷式系统的数据中心节能优势更为显著.这是由于随着纬度的降低，数据中心所处地区温度升高，湿度增大，湿球温度升高，冷却塔蒸发冷却方案的节能空间越来越小。在本文给出的计算案例中，海口地区风冷式和水冷式数据中心CLF值的计算结果近似相等，考虑到水冷式系统的水资源消耗，在该类地区应用风冷式直接蒸发方案更为经济节能。

6、结束语

本文以某中等规模数据中心为例，针对我国不同地区气候特点，对风冷式直接蒸发方案、水冷式冷水机组方案和复合型自然冷源方案等三种数据中心制冷方案进行了能效分析。不同类型数据中心制冷系统能耗水平存在季节性和区域性差异。制冷系统CLF指标呈现“夏峰冬谷”的规律，且波动程度随数据中心所处纬度的增加而增大。制冷系统能耗总体表现为由北向南随纬度的降低逐渐升高，在满足数据中心功能和市场要求的前提下，应优先考虑在哈尔滨等严寒地区建立大型数据中心，以便充分发挥区域性气候优势，减少制冷系统的整体负荷。

参考文献

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（作者单位：新地能源工程技术有限公司）